Ultra low-frequency energy harvester for SHM sensors in wind turbines

En este proyecto de tesis multidisciplinar, proponemos el diseño completo, la implementación y la caracterización experimental de una familia de dispositivos de captación de energía residual para alimentar nodos sensores autónomos que monitorizan la salud estructural de los aerogeneradores. Presentamos soluciones innovadoras para aprovechar la energía de las vibraciones inherentes a estas estructuras y convertirlas posteriormente en energía eléctrica utilizable. Para ello se utilizan elementos mecánicos que captan el movimiento vibratorio, componentes electromagnéticos para su transducción a energía eléctrica aprovechable así como circuitos electrónicos para el acondicionamiento de la señal. Las especificaciones propuestas incluyen la funcionalidad con excitaciones en cualquier dirección del plano horizontal, pequeñas aceleraciones por debajo de 0, 1 g y frecuencias muy bajas por debajo de 1Hz. Los dispositivos deben ser compactos para facilitar su manejo y colocación. Para predecir con exactitud el funcionamiento en condiciones de excitación arbitrarias, hemos desarrollado dos modelos matemáticos de interacción electromecánica. El primero es un modelo físico basado en ecuaciones diferenciales que describen el movimiento mecánico bajo las excitaciones previstas y la interacción elástica en términos de un modelo magnético dipolar. La amortiguación se supone viscosa y los parámetros básicos del modelo se ajustan empíricamente. El segundo enfoque de modelización se basa en datos y considera la interacción electromagnética entre imanes y bobinas en movimiento. La amortiguación se modela con mayor precisión distinguiendo entre amortiguación por fricción y electromagnética. Para evaluar los parámetros asociados junto con otros parámetros no físicos en juego, se presenta un procedimiento de identificación. Ha sido necesario diseñar e implementar un montaje experimental ad-hoc, descrito en la tesis, capaz de medir todas las magnitudes necesarias para una correcta identificación. Dadas las particularidades de los captadores de baja frecuencia propuestos, se necesitan soluciones específicas para convertir la energía eléctrica generada en corriente continua utilizable por los nodos sensores. Presentamos dos novedosos elevadores/convertidores AC-DC capaces de operar con tensiones de entrada muy bajas (decenas de milivoltios) y con cualquier polaridad. Se basan en osciladores clásicos modificados para adaptarse a la aplicación. Los harvesters descritos en esta tesis se han caracterizado a fondo experimentalmente en el laboratorio y uno de ellos se está probando sobre el terreno en la góndola de un aerogenerador. Un análisis comparativo de nuestros harvesters con respecto a los pocos que trabajan en condiciones similares, revela un comportamiento muy competitivo. Sin embargo, la potencia generada en la prueba de campo es demasiado baja para alcanzar el objetivo de alimentar un nodo sensor.

In this multidisciplinary thesis project, we propose the complete design, implementation, and experimental characterization of a family of energy harvesting (EH) devices to power-up autonomous sensor nodes that monitor the structural health (SHM) of wind turbines (WT). We present innovative solutions for harnessing the vibrations inherent in these structures and subsequently converting them into usable electrical energy. This involves using mechanical elements to capture vibrational motion, electromagnetic components for its transduction to usable electrical energy, and electronic circuits for signal conditioning. The proposed specifications require functionality with excitations in any direction of the horizontal plane, small accelerations below 0.1 g and very low frequencies below 1Hz. The devices should be compact for easy handling and placement. To accurately predict the operation under arbitrary excitation conditions, we have developed two mathematical models of electromechanical interaction. The first is a physical model based on differential equations that describe the mechanical motion under the expected excitations and the elastic interaction in terms of a dipolar magnetic model. Damping is assumed viscous, and the basic parameters of the model are empirically adjusted. The second modelling approach is data-driven and considers the electromagnetic interaction between moving magnets and coils. Damping is more accurately modelled by distinguishing between frictional and electromagnetic damping. To evaluate the associated parameters along with other non-physical parameters in play, an identification procedure is presented. This has required the design and implementation of an ad-hoc experimental set-up to measure all magnitudes needed for a proper identification, which is described in the thesis. Given the particularities of the low-frequency harvesters proposed, dedicated solutions are needed to convert the generated electrical energy into a usable DC power for sensor nodes. We present two novel AC-DC boost converters capable of operating with very low input voltages (tens of millivolts) and with any polarity. They are based on modified classical oscillators to suit the application. The harvesters described in this thesis have been thoroughly characterized experimentally in the lab. One of them is being field tested in the nacelle of a wind turbine. A benchmark analysis of our harvesters with respect to the few harvesters working in similar conditions reveals a very competitive behaviour. However, the power generated in the field test is too low to achieve the goal of powering a sensor node.